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1、前言

1. 学习参考书籍以及本文涉及的示例程序：李山文的《Linux驱动开发进阶》
2. 本文属于个人学习后的总结，不太具备教学功能。

2、阻塞与非阻塞IO

2.1、阻塞方式

用户程序调用read系统调用时，从用户态切换到内核态。内核检查设备是否准备好数据，如果设备尚未准备好数据，内核会将当前进程标记为“阻塞”状态，并将其放入等待队列中，同时进入休眠状态。当设备准备好数据时，内核会将等待队列中的进程唤醒。内核从设备读取数据，并将数据复制到用户空间。系统调用返回，用户程序继续执行。

相关示例程序可以参考：https://gitee.com/li-shan-asked/linux-advanced-development-code/tree/master/part5/block_io

重点宏或函数如下：

init_waitqueue_head(wq_head)
wait_event_interruptible(wq_head, condition)
wake_up_interruptible(x)

2.2、非阻塞方式

非阻塞方式和阻塞方式相比，当用户程序调用read系统调用时，如果设备尚未准备好数据，直接返回错误。此时可以继续发起read系统调用。

相关示例程序可以参考：https://gitee.com/li-shan-asked/linux-advanced-development-code/tree/master/part5/nonblokck-io

2.3、小结

所以阻塞方式不会占用cpu资源，适合对实时性不高的场景。非阻塞方式需要不断轮询，可能会增加cpu负载，适合高并发场景。

3、异步IO

3.1、poll

poll可以说是对阻塞IO的一种改进。我们知道阻塞IO中，如果设备状态一直不可用，那么应用程序会一直休眠。而poll机制中，就是增加了超时机制。当一段时间内设备还是不可用，则强行调度，将应用程序唤醒。

作为驱动开发者，需要实现poll驱动的回调函数。

static __poll_t key_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{poll_wait(file, &key->wait_head, wait);if (key->ev_press == 1)return EPOLLIN | EPOLLRDNORM;return EPOLLOUT | EPOLLWRNORM;
}static struct file_operations key_ops = {....poll = key_poll,...
};

相关示例程序可以参考：https://gitee.com/li-shan-asked/linux-advanced-development-code/tree/master/part5/poll

3.2、select

poll机制和select机制是一样的，应用程序调用select系统调用时，最终调用的还是内核驱动程序中的poll函数。所以主要了解应用程序中的select系统调用即可。

相关示例程序可以参考：https://gitee.com/li-shan-asked/linux-advanced-development-code/tree/master/part5/select

3.3、epoll

当fd数量小于1000时，使用poll和select还算合适。因为poll和select每次调用时都需要遍历所有监听的fd，检查他们的就绪状态，例如，监听10000个fd，即使只有1个fd就绪，也需要遍历全部10000个，效率极低。

而epoll适用于有大量的描述符需要同时轮询，并且这些连接最好是长连接。用户空间的应用程序调用epoll相关接口，最终还是调用内核的poll接口。

相关示例程序可以参考：https://gitee.com/li-shan-asked/linux-advanced-development-code/tree/master/part5/epoll

3.4、poll和epoll示例比较

poll的低效实现：

// 每次需遍历所有 FD
struct pollfd fds[10000];
while (1) {int ret = poll(fds, 10000, 1000);  // O(n) 遍历for (int i = 0; i < 10000; i++) {  // 再次遍历检查if (fds[i].revents & POLLIN) {// 处理就绪 FD}}
}

epoll的高效实现：

int epfd = epoll_create1(0);
struct epoll_event ev, events[100];// 注册 FD（首次拷贝到内核）
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  // ET 模式
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);while (1) {int nready = epoll_wait(epfd, events, 100, 1000);  // 仅返回就绪 FDfor (int i = 0; i < nready; i++) {                 // 直接处理// 处理 events[i].data.fd}
}

epoll是Linux特有的，注意跨平台限制。

3.5、异步通知

上面介绍的poll/select、epoll还是需要主动去查询设备是否可用，大多数情况下，设备都是不可用的。所以是否还有更好的方式，那就是异步通知，当设备可用时，内核驱动程序主动向应用程序发起通知。

可以参考以前写的：I/O管理：异步通知

同时相关示例程序可以参考：https://gitee.com/li-shan-asked/linux-advanced-development-code/tree/master/part5/async

4、unlocked_ioctl

ioctl是旧版本的内核API，需要持有大内核锁。unlocked_ioctl是现代内核中推荐使用的API，它不需要持有大内核锁，从而提高了性能和灵活性。

相关示例程序可以参考：https://gitee.com/li-shan-asked/linux-advanced-development-code/tree/master/part5/ioctl

5、sysfs_notify

当用户空间使用poll、select、epoll接口检测一个sysfs目录下的属性文件时，此时如果内核不做任何动作，则用户空间中的进程就会被阻塞起来，当内核中调用sysfs_notify函数时，此时用户空间的进程被唤醒，就可以执行相应的动作。

sysfs_notify函数实现如下：

最终会调用kernfs_notify()，最终调用wake_up_interruptible：

相关示例程序可以参考：https://gitee.com/li-shan-asked/linux-advanced-development-code/tree/master/part5/sysfs_notify